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超聲波傳感器在高速公路自動發(fā)卡機(jī)中的應(yīng)用0 引言 高速公路運(yùn)營單位為節(jié)省人力成本達(dá)到降本增效的目的,在收費(fèi)站入口安裝自動發(fā)卡機(jī)代替人工發(fā)放通行卡的應(yīng)用越來越廣泛。自動發(fā)卡機(jī)在使用過程中的一些缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn),比如,由于司機(jī)操作不當(dāng)或發(fā)卡機(jī)安裝位置不當(dāng)?shù)仍,?dāng)車輛完全停下后距發(fā)卡機(jī)距離較遠(yuǎn),司機(jī)伸手無法順利取卡。為解決該問題,在自動發(fā)卡機(jī)上增加滑動平臺,利用超聲波測距功能檢測車輛離發(fā)卡機(jī)的距離,自動伸縮平移,縮短車輛與發(fā)卡機(jī)的距 離,避免司機(jī)下車取卡,實(shí)現(xiàn)安全、方便、快捷取卡通行,節(jié)省取卡時間,增加通行效率。 1 超聲波測距傳感器原理 物體振動時都會發(fā)出聲響。在物理學(xué)上,頻率的定 義為物體每一秒振動的次數(shù),單位為赫茲。超聲波是高 于兩萬赫茲的聲波 [1] 。超聲波測距傳感器包括超聲波發(fā) 射器和超聲波接收器,通過發(fā)射器向某一方向發(fā)射一定 頻率的超聲波(頻率一般大于 20 kHz),在發(fā)射超聲波 的同時開始計(jì)時,超聲波在空氣中傳播碰到障礙物立刻 反射回來,超聲波接收器收到反射回來的超聲波后立即 停止計(jì)時。超聲波測距傳感器就是利用超聲波在空氣中 傳播,碰到障礙物往返時間,再乘以超聲波傳輸速度,即可求得距離障礙物的距離,原理示意圖如圖 1 所示。 假定 S 為被測障礙物到測距儀的距離,超聲波往返 時間為 t,超聲波傳播速度為 v,則被測距離 S = vt / 2 。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高速公路自動發(fā)卡機(jī)包括上工位和下工位發(fā)卡箱體,分別用于大型車輛和小型車輛發(fā)卡,主要硬件控制 電路包括以STM32 單片機(jī)為主控制芯片的控制電路、 上工位測距儀、上工位箱體移動電機(jī)及驅(qū)動電路、上工位箱體剎車機(jī)及驅(qū)動電路、下工位測距儀、下工位箱體移動電機(jī)及驅(qū)動電路、下工位箱體剎車機(jī)及驅(qū)動電路、 車檢器和車型識別器,系統(tǒng)示意圖如圖2所示。 當(dāng)車輛進(jìn)入收費(fèi)車道時,車型識別器自動識別車輛 類型,并將車型數(shù)據(jù)通過RS-485串口發(fā)送至發(fā)卡機(jī)。 隨后,車輛行駛至取卡位置,車檢器檢測到車輛,發(fā)卡機(jī)根據(jù)車輛類型判斷上工位還是下工位發(fā)卡,大型車輛為上工位發(fā)卡,小型車輛為下工位發(fā)卡。根據(jù)超聲波測距傳感器測量到的發(fā)卡機(jī)箱體距離車輛的距離,發(fā)卡機(jī)箱體滑動裝置自動調(diào)節(jié)箱體移出距離。 3 超聲波測距傳感器數(shù)據(jù)接口 超聲波測距傳感器采用成熟穩(wěn)定可靠的超聲波雷達(dá) 技術(shù),測距范圍廣,可準(zhǔn)確探測到 0~3 m 以內(nèi)的障礙物 距離,測距精度可以達(dá)到 1 cm,結(jié)合滑動平臺移動伸 出合適距離,保證通過自動發(fā)卡車道的車輛駕駛?cè)藛T能方便安全地取到通行卡,同時避免發(fā)卡機(jī)碰撞到車輛。 超聲波測距傳感器通信電氣接口為單線 UART方 式,高電平(+5 V)為邏輯 1,低電平(0 V)為邏輯 0,空閑時為高電平。整個通信協(xié)議由 5 個有順序的信 息碼組成,分別是 P0、P1、P2、P3、P4,其中 P0 固定 為 0xC4,P1、P2、P3、P4 分別對應(yīng) 4 個測距探頭(本 項(xiàng)目采用的超聲波測距傳感器有 4 個探頭)的測距數(shù)據(jù), 信息碼的波形時序圖如圖 3 所示。 每個信息碼由“前導(dǎo)碼(010)”、8 bit 數(shù)據(jù)碼、 1 個停止位組成,共 12 個 bits,即 Pi=010+Di+1,其中 i 分別為 0、1、2、3、4,信息碼的每個 bit 時間寬度固定為80 μs。 超聲波測距傳感器數(shù)據(jù)碼定義: P0,控制碼,固定為 0×C4; P1、P2、P3、P4:對應(yīng) 4 個測距探頭的測距數(shù)據(jù),在信息碼時序圖的表現(xiàn)為從左至右順序,單位為 2 cm, 取值范圍是 0 ~ 150,對應(yīng)的測量距離為 0.0~3.0 m, 例如 0×10 代表 32 cm。特殊值 0xFF 代表無窮遠(yuǎn),即 沒有探測到障礙物。 將超聲波測距傳感器的數(shù)據(jù)輸出線接入單片機(jī) I/O 端口,并設(shè)置為外部中斷,下降沿觸發(fā)。當(dāng)傳感器有測 距數(shù)據(jù)輸出時,單片機(jī)觸發(fā)下降沿中斷,延時 40 μs 后, 打開 80 μs 的定時器中斷,在定時器中斷中讀取 5 個信 息碼的每一位數(shù)據(jù)。 4 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì) 滑動平臺采用24V直流電機(jī)控制滑動平臺的伸縮, 在承載100kg質(zhì)量情況下能平穩(wěn)滑動,滑動平臺最大可伸縮距離能達(dá)到 200 mm。車輛距離發(fā)卡機(jī)較遠(yuǎn)時, 滑動平臺可完全伸出 200 mm,車輛距離發(fā)卡機(jī)較近時, 滑動平臺可滑動合適距離而不碰撞到車輛,方便司機(jī)安 全取卡或刷卡。伸縮距離依據(jù)機(jī)箱外殼上所配 4 個超聲 波測距傳感器探頭測量車輛距離機(jī)箱的距離而定,當(dāng)距 離大于設(shè)定值時,滑動平臺自動水平伸出,按鍵取卡后, 機(jī)箱自動縮回原位。 主控制板單片機(jī)程序采用C語言編寫,與匯編相比,C 語言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性方面有明顯 優(yōu)勢,易學(xué)易用。 主控制程序主要包括車型數(shù)據(jù)接收、車檢器中斷、 超聲波測距傳感器數(shù)據(jù)接收、箱體移動和剎車等工作。 車型數(shù)據(jù)采用串口中斷方式接收數(shù)據(jù)包;車檢器用于檢測車輛是否停在取卡位置,為開關(guān)量信號,接入單片機(jī)的外部中斷輸入口;箱體移動包括箱體伸出和退回原位, 以及加速度、恒速和減速度,由靜止?fàn)顟B(tài)啟動時為加速度移動,中間移動速度為恒速移動,在接近停止位置時為減速度移動,箱體移動流程圖如圖4 所示。 5 結(jié)束語 超聲波測距傳感器具有簡單方便、易于實(shí)現(xiàn)、成本 低、精度高、不易受環(huán)境影響等特點(diǎn),可以探測透明物 體,包括從玻璃和液體表面反射的回波,還能抵抗霧氣、灰塵和污垢顆粒,可穩(wěn)定地探測出復(fù)雜形狀的物體,比 如網(wǎng)格托盤、彈簧等。在 3 m 測距范圍內(nèi),與紅外或激 光等測距方式相比具有明顯的優(yōu)勢,在日常生活中應(yīng)用 廣泛,如倒車輔助系統(tǒng)、智能導(dǎo)盲系統(tǒng)、移動機(jī)器人、 液位測量等。 參考文獻(xiàn): [1] 王瑞榮.基于單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì)[J].電子測試,2021 (5):22-23,33. |